一種基于雙耦合結(jié)構(gòu)單模錯(cuò)位光纖測(cè)量溫度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于單模錯(cuò)位光纖測(cè)溫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙耦合結(jié)構(gòu)單模錯(cuò)位 光纖測(cè)量溫度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前基于干涉理論的光纖傳感器的研究已取得多項(xiàng)研究成果，但也存在許多亟待 解決的問(wèn)題。由于輸出信號(hào)會(huì)受到光纖傳輸損耗、接續(xù)損耗、光纖震動(dòng)和多重外界環(huán)境等影 響，將嚴(yán)重引起光信號(hào)衰減的無(wú)規(guī)律性。雙光束干涉型光纖傳感器、多模干涉光纖傳感器和 數(shù)字式干涉型光纖傳感器等在測(cè)溫領(lǐng)域得到逐步應(yīng)用，但也存在許多不足之處，如對(duì)光源、 光纖的性能要求嚴(yán)格、光路和信號(hào)處理系統(tǒng)復(fù)雜，需要考慮多種因素。由于干涉的復(fù)雜性， 傳感器探測(cè)到的信號(hào)很弱，溫度分辨率不高，穩(wěn)定性較差，這些都導(dǎo)致成本增加且對(duì)溫度傳 感器系統(tǒng)的研究沒有保障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了一種基于雙耦合結(jié)構(gòu)單模錯(cuò)位光纖測(cè)量溫度的 方法，該方法通過(guò)錯(cuò)位光纖結(jié)構(gòu)，干涉的光信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合器產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的激光，然后通過(guò) 分析不同溫度下相應(yīng)的輸出激光波長(zhǎng)來(lái)研究溫度傳感系統(tǒng)的性能，雙耦合結(jié)構(gòu)分辨率高， 性能穩(wěn)定且靈敏度高。
[0004] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案，一種基于雙耦合結(jié)構(gòu)單模錯(cuò)位 光纖測(cè)量溫度的方法，其特征在于具體步驟為：980nm栗浦光源發(fā)出的光信號(hào)依次通過(guò) 980/1550nm波分復(fù)用器、多IM單模摻鉺光纖環(huán)、光學(xué)隔離器和錯(cuò)位光纖，光信號(hào)在光纖中 沿著纖芯傳播，當(dāng)光信號(hào)通過(guò)錯(cuò)位光纖熔接處時(shí)開始分解，其中一部分光信號(hào)進(jìn)入包層形 成包層模，另一部分光信號(hào)進(jìn)入纖芯形成纖芯模，光信號(hào)在光纖中傳輸一段距離后包層模 和纖芯模再次耦合進(jìn)入同一根光纖中，兩種模式光信號(hào)在纖芯發(fā)生干涉；然后光信號(hào)經(jīng)過(guò) 由第一光纖耦合器和第二光纖耦合器組成的光纖環(huán)形器并選擇性輸出光信號(hào)，輸出的光信 號(hào)經(jīng)過(guò)第三光纖耦合器后其中一部分光信號(hào)輸出至光譜分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，另一 部光信號(hào)通過(guò)光纖輸入980/1550nm波分復(fù)用器形成反饋，當(dāng)光信號(hào)再次通過(guò)錯(cuò)位光纖熔 接處時(shí)再次發(fā)生干涉現(xiàn)象，而耦合器因錯(cuò)位光纖處溫度不變選出的激光波長(zhǎng)不變，若錯(cuò)位 光纖溫度改變，則經(jīng)耦合器選擇得到的激光波長(zhǎng)也發(fā)生相應(yīng)的改變；設(shè)定不同的溫度，一方 面由光譜分析儀采集輸出激光波長(zhǎng)的偏移，另一方面對(duì)相應(yīng)輸出的激光信號(hào)參數(shù)采集和存 儲(chǔ)，根據(jù)對(duì)應(yīng)不同溫度情況下所采集的相應(yīng)輸出激光的波長(zhǎng)參數(shù)可得到波長(zhǎng)-溫度曲線， 通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)未知溫度的精確測(cè)量。
[0005] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0006] (1)單模光纖避免了模式色散、模式噪聲以及多模光纖傳輸時(shí)附帶的許多其他效 應(yīng)；
[0007] (2)雙耦合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低，與系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，偏振相關(guān)損耗小，組成濾波器 的兩個(gè)耦合器分光比和干涉臂長(zhǎng)差取一定值時(shí)，可得到輸出波形通道平坦的波長(zhǎng)交錯(cuò)濾波 器的功能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性（波長(zhǎng)交錯(cuò)濾波器和梳狀濾波器類似）；
[0008] (3)結(jié)構(gòu)更緊湊、小巧簡(jiǎn)單、不易受外界干擾、功耗低、造價(jià)低廉，靈敏度高；
[0009] (4)測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)化，可以進(jìn)行連續(xù)分布測(cè)量，方便迅速，便于復(fù)用。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是本發(fā)明的光路原理圖。
[0011] 圖面說(shuō)明：l、980nm栗浦光源，2、980/1550nm波分復(fù)用器，3、摻鉺光纖環(huán)，4、光學(xué) 隔離器，5、錯(cuò)位光纖，6、第一光纖親合器（90:10)，7、第二光纖親合器（90:10)，8、第三光纖 親合器（90:10)，9、光譜分析儀，10、光纖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的上述內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)該將此理解為本 發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本發(fā)明上述內(nèi)容實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā) 明的范圍。
[0013] -種基于雙耦合結(jié)構(gòu)單模錯(cuò)位光纖測(cè)量溫度的方法，基于光的干涉理論，980nm栗 浦光源1發(fā)出的光信號(hào)先經(jīng)過(guò)980/1550nm波分復(fù)用器2 (WDM)和多匝單模摻鉺光纖環(huán)3,再 通過(guò)光學(xué)隔離器4,之后光信號(hào)通過(guò)單模錯(cuò)位光纖5結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)第一個(gè)光纖耦合器6和第二 光纖耦合器7組成的光纖環(huán)形器選擇輸出，再經(jīng)過(guò)第三光纖耦合器8輸出，一路光信號(hào)通過(guò) 光譜分析儀9觀察，分析相應(yīng)激光波長(zhǎng)來(lái)研究該測(cè)溫系統(tǒng)的規(guī)律，另一路光信號(hào)通過(guò)光纖 10進(jìn)過(guò)波分復(fù)用器2再次進(jìn)入光路形成反饋。光束在光纖中沿著纖芯傳輸，當(dāng)光信號(hào)通過(guò) 錯(cuò)位熔接處時(shí)開始分解，其一部分光信號(hào)進(jìn)入包層形成包層模，另一部分光信號(hào)進(jìn)入纖芯 形成纖芯模，光在光纖中傳輸一段距離后，包層模和纖芯模再次親合進(jìn)入同一根光纖中，兩 種模式光束在纖芯發(fā)生干涉。此時(shí)纖芯中有多種不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，經(jīng)雙耦合器組成的具 有選擇特定波長(zhǎng)的濾波系統(tǒng)輸出激光。我們采用的光纖環(huán)長(zhǎng)為L(zhǎng)，并且采用了兩個(gè)相同的光 纖耦合器。假設(shè)光纖環(huán)的非線性是克爾型的，則折射率可以表示為：
[0014]
[0015] 11。和112分別為光纖的線性和非線性折射率系數(shù)，為Tl。光波真空中的阻抗，I表示 瞬時(shí)光強(qiáng)，E為光電場(chǎng)，P為光功率，S rff為有效模面積。
[0016] 我們假定光纖的不穩(wěn)定性是瞬時(shí)的，并且光纖環(huán)很短可以忽略群色散效應(yīng)。
[0017] Ein⑴為入射光場(chǎng)，Et⑴和Er⑴分別為透射光場(chǎng)和反射光場(chǎng)，E cl (z，t)和Ec2 (z， t)分別為右半環(huán)和左半環(huán)的光場(chǎng)。它們的關(guān)系可以用下面的式子來(lái)描述。
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] γ和k分別為耦合器的強(qiáng)度損耗系數(shù)和強(qiáng)度耦合系數(shù)。
[0023] 兩個(gè)半環(huán)的末端光場(chǎng)可以表示為：
[0024] Ecl (L/2，t) = Ecl (0，t- τ R) exp (_ a L/2) exp [_ j ( Φ 0+ Φ Ni (卜 τ R))]
[0025] Ec2 (L/2，t) = Ec2 (L/2，t- τ R) exp (- α L/2) exp [-j ( Φ 0+ Φ Ν2 (t- τ r))]
[0026] α為振幅衰減系數(shù)，τκ( = n(]L/2c)為轉(zhuǎn)半圈的時(shí)間，巾。（=11九172)為轉(zhuǎn)半圈 的線性相移，ΦΝ1(?-τ κ)和φΝ2α_τκ)分別為右半圈和左半圈的非線性相移，它們由下式 給出：
[0027]
[0028]
[0029] 其中 Lel (= (exp (aL)-I)/2a)，Le2 (= (1-exp (aL))/2α)分別為半圈的有效 長(zhǎng)度，假設(shè)光纖是無(wú)損耗的α =0,可以得到Lel= Le2= L/2。
[0030] 由上面的分析我們可以得到輸出光場(chǎng)的表達(dá)式：
[0031] Et(t) = TEin(t - τ R) exp[-j ( φ0+φΝ1(? - τ R)) ]+REt(t~2 τ R) exp [-j (2 Φ 0+ Φ N1 (t- τ R)
[0032] -ΦΝ2α-2 τκ))]
[0033] 其中 T = - (I- γ ) k exp (- a L/2)，R = (I- γ ) (l_k) exp (- a L)。
[0034] 利用上式我們可以計(jì)算出任意給定輸入光源經(jīng)過(guò)光纖耦合器選擇后的輸出表達(dá) 式。
[0035] 光信號(hào)輸出后經(jīng)過(guò)第三光纖耦合器，一部分光信號(hào)輸出，由光譜分析儀對(duì)此進(jìn)行 觀察，另一部分再次返回系統(tǒng)，當(dāng)光信號(hào)再次通過(guò)錯(cuò)位熔接處依舊干涉，而耦合器因溫度不 變選出的激光波長(zhǎng)不變。當(dāng)溫度改變，光譜儀觀察輸出激光波長(zhǎng)發(fā)生偏移，對(duì)相應(yīng)輸出的激 光信號(hào)參數(shù)采集和存儲(chǔ)。根據(jù)不同溫度和相應(yīng)輸出激光的波長(zhǎng)參數(shù)可得到波長(zhǎng)-溫度曲 線，從而實(shí)現(xiàn)錯(cuò)位光纖應(yīng)用于溫度傳感系統(tǒng)。
[0036] 我們假設(shè)IJP 12為單模中纖芯模的光強(qiáng)和包層主要模的光強(qiáng)，則干涉信號(hào)強(qiáng)度可 以表示為：
[0037]
[0038] 其中W i U是光纖的相差，Λ IWf是有效折射率差，L是錯(cuò)位光纖有效干 涉區(qū)域長(zhǎng)度，λ是工作波長(zhǎng)。當(dāng)相差滿足干涉條件# = (2m-Ik (m是整數(shù)）時(shí)，相應(yīng)的波 長(zhǎng)變化可以表示為：
[0039]
[0040] 根據(jù)公式（2)可知，在兩個(gè)干涉最小值之間的自由光譜范圍可以近似表示為：
[0041 ]
[0042] 公式（3)表明，自由光譜范圍與有效折射率和錯(cuò)位光纖有效長(zhǎng)度有關(guān)，波長(zhǎng)最低 點(diǎn)的變化可以表示為：
[0043]
[0044] 其中α為熱膨脹系數(shù)，ε為熱光系數(shù)。公式（4)表明，干涉輸出經(jīng)過(guò)雙耦合激光 器結(jié)構(gòu)，溫度差與波長(zhǎng)位移為正比關(guān)系。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到經(jīng)過(guò)雙耦合器激光結(jié) 構(gòu)的輸出波長(zhǎng)差及各個(gè)系數(shù)，進(jìn)而可以測(cè)量出溫度值。
[0045] 以上實(shí)施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該 了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原 理，在不脫離本發(fā)明原理的范圍下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)均落入 本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于雙耦合結(jié)構(gòu)單模錯(cuò)位光纖測(cè)量溫度的方法，其特征在于具體步驟為： 980nm栗浦光源發(fā)出的光信號(hào)依次通過(guò)980/1550nm波分復(fù)用器、多匝單模摻鉺光纖環(huán)、光 學(xué)隔離器和錯(cuò)位光纖，光信號(hào)在光纖中沿著纖芯傳播，當(dāng)光信號(hào)通過(guò)錯(cuò)位光纖熔接處時(shí)開 始分解，其中一部分光信號(hào)進(jìn)入包層形成包層模，另一部分光信號(hào)進(jìn)入纖芯形成纖芯模，光 信號(hào)在光纖中傳輸一段距離后包層模和纖芯模再次耦合進(jìn)入同一根光纖中，兩種模式光信 號(hào)在纖芯發(fā)生干涉；然后光信號(hào)經(jīng)過(guò)由第一光纖耦合器和第二光纖耦合器組成的光纖環(huán)形 器并選擇性輸出光信號(hào)，輸出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)第三光纖耦合器后其中一部分光信號(hào)輸出至光 譜分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，另一部光信號(hào)通過(guò)光纖輸入980/1550nm波分復(fù)用器形成 反饋，當(dāng)光信號(hào)再次通過(guò)錯(cuò)位光纖熔接處時(shí)再次發(fā)生干涉現(xiàn)象，而耦合器因錯(cuò)位光纖處溫 度不變選出的激光波長(zhǎng)不變，若錯(cuò)位光纖溫度改變，則經(jīng)耦合器選擇得到的激光波長(zhǎng)也發(fā) 生相應(yīng)的改變；設(shè)定不同的溫度，一方面由光譜分析儀采集輸出激光波長(zhǎng)的偏移，另一方面 對(duì)相應(yīng)輸出的激光信號(hào)參數(shù)采集和存儲(chǔ)，根據(jù)對(duì)應(yīng)不同溫度情況下所采集的相應(yīng)輸出激光 的波長(zhǎng)參數(shù)可得到波長(zhǎng)-溫度曲線，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)未知溫度的精確測(cè)量。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙耦合結(jié)構(gòu)單模錯(cuò)位光纖測(cè)量溫度的方法，該方法通過(guò)錯(cuò)位光纖結(jié)構(gòu)，干涉的光信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合器產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的激光，然后通過(guò)分析不同溫度下相應(yīng)的輸出激光波長(zhǎng)來(lái)研究溫度傳感系統(tǒng)的性能，雙耦合結(jié)構(gòu)分辨率高，性能穩(wěn)定且靈敏度高。
【IPC分類】G01K11/32
【公開號(hào)】CN105092086
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510554978
【發(fā)明人】王芳, 朱晗, 王旭, 李云鵬, 于坤, 郭彩霞, 劉玉芳, 李蕾
【申請(qǐng)人】河南師范大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年9月1日